Население Земли растет, и этот рост пока не собирается прекращаться. Если по предыдущим оценкам считалось, что численность населения земли достигнет максимума в 10 миллиардов к середине XXI века, а затем начнет сокращаться, то последние оценки более пессимистичны. В журнале Science недавно вышла статья, авторы которой утверждают: сокращение населения Земли в XXI веке маловероятно, его вероятность оценивается в 0,3. С вероятностью 0,8 численность населения будет находиться в интервале от 9,6 до 12,3 миллиардов. Наиболее быстрый рост численности населения придется на Африку. В то время как в остальном мире число рождений на женщину сейчас примерно 1,5-2, в Африке южнее Сахары этот показатель равен 4,6 и не собирается уменьшаться. Кроме того, население там существенно моложе, а это означает большее число женщин репродуктивного возраста.
Прогнозы численности населения регионов мира (по данным Департамента по экономическим и социальным вопросам ООН)
Вопрос в том, что все эти люди будут есть. Удвоить посевные площади едва ли возможно, поэтому нужно повышать эффективность сельского хозяйства. Пищевая цепочка устроена так, что на нижних ее ступенях почти всегда кто-нибудь фотосинтезирует. Неорганические вода и углекислый газ, поглощая солнечную энергию, превращаются в растениях в органические вещества. Питательные вещества, запасаемые растениями в плодах, клубнях и листьях появляются там благодаря фотосинтезу. Человек обычно либо ест их напрямую, либо ест мясо травоядных животных, которые живут за счет энергии съеденных ими растений.
Заманчивой выглядит идея повысить эффективность фотосинтеза. Для этого есть резервы. Самый медленный этап фотосинтеза – это фиксация углекислого газа. Этим занимается белок, называемый RuBisCO (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase). RuBisCO, видимо, самый распространенный белок в мире. Примерно половина растворимых белков в листе – это белки RuBisCO. Этот белок у сосудистых растений работает довольно медленно – 3-10 реакций в секунду. Для других белков-катализаторов этот параметр может достигать и тысячи. Большим количеством по сравнению с другими белками природа как раз и пытается компенсировать низкую скорость его работы. По некоторым оценкам, усовершенствовав RuBisCO и увеличив концентрацию CO2 рядом с ним, можно увеличить урожайность риса и пшеницы на 60%.
Цикл Кальвина - серия биохимических реакций при фотосинтезе.
В статье, опубликованной в журнале Nature, авторы заменили у табака (табак часто используется как лабораторная модель абстрактного растения) свой собственный ген RuBisCO на ген, кодирующий более расторопный вариант, принадлежащий фотосинтезирующей цианобактерии Synechococcus elongatus. Соответствующий ген был введен в геном хлоропластов – органелл, занимающихся фотосинтезом в эукариотических клетках. Они, как и митохондрии, имеют симбиотическое происхождение, и сохраняют остатки собственного генома. Кроме гена, кодирующего RuBisCO, в геном хлоропластов вводились некоторые вспомогательные гены. Оказалось, что такой табак превращает углекислоту в сахар быстрее обычного.
Но радоваться пока рано. Есть и проблема, связанная с бактериальным ферментом. Его специфичность к углекислому газу ниже, и часть энергии он тратит впустую, реагируя не с углекислым газом, а с кислородом. Бактерия решает эту проблему с помощью карбоксисом – структур, окружающих RuBisCO и создающих вокруг него повышенную концентрацию углекислого газа, повышая частоту реакций с нужным субстратом. У табака карбоксисом нет, и экспериментальные растения приходилось выращивать в искусственной атмосфере, обогащенной углекислым газом.
Если бы у табака были карбоксисомы, то, возможно, это повысило бы эффективность фотосинтеза даже у растений с собственным геном, кодирующим RuBisCO, а для дальнейших разработок, связанных с бактериальными генами они просто необходимы. В июне этого года та же группа авторов опубликовала работу, в которой им удалось создать у табака аналог карбоксисом, введя в клетки табака еще некоторое количество бактериальных генов.
Авторы надеются в будущем объединить обе эти технологии.
